庫水位漲落條件下不同結構邊坡的變形破壞機制分析
——以千將坪滑坡和樹坪滑坡為例*

汪發武 宋 琨

(①同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系， 上海 200092， 中國)(②同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室， 上海 200092， 中國)(③三峽大學土木與建筑學院地質工程系， 宜昌 443002， 中國)(④湖北長江三峽滑坡國家野外科學觀測站， 宜昌 443002， 中國)

0 引 言

水利工程運行過程中庫水位的漲落不可避免。庫水位的漲落常誘發不同形態的滑坡，如瓦伊昂(Vaiont)滑坡、Canelles滑坡、千將坪滑坡、樹坪滑坡、白水河滑坡等。同一水庫相似的水位波動條件，為何產生不同的滑坡變形模式？揭示其內在機制對了解水庫岸坡的變形行為，實現滑坡災害防控具有重要意義。

針對滑坡的變形行為與內在機制，國內外學者采用監測、模擬分析等方法研究了庫水位波動下的庫岸滑坡的變形響應與機制。如1963年的意大利瓦伊昂(Vaiont)滑坡在蓄水階段發生多次加速變形并最終破壞(Semenza et al.，2000)； 三峽庫區的千將坪滑坡在庫水位從92m蓄水到135m后發生整體滑動破壞(Wang et al.，2004， 2008a； 肖詩榮等， 2010)； 西班牙的Canelles水庫滑坡在2006年的庫水位快速下降至低水位過程(0.5～1.2m·d-1)中發生滑動(Pinyol et al.，2012)； 庫水位波動使三峽庫區樹坪滑坡(Wang et al.，2007， 2008b； 苑誼等， 2015； Song et al.， 2018)、白水河滑坡(盧書強等， 2014； 薛陽等， 2020)、白家包滑坡(安冬等， 2021； 尚敏等， 2021)等產生“臺階狀”變形，其加速變形階段主要發生在庫水位下降期； 水位波動對滑坡變形的影響主要是從前往后的過程(杜鋒等， 2018； 肖捷夫等， 2020)； 影響滑坡變形的關鍵因素是滑坡巖土體的滲透系數與庫水位波動速率(Paronuzzi et al.，2013)，兩者對穩定性的影響為綜合效應(宋琨等， 2011； 張夏冉等， 2017)。滑面形態會影響滑坡變形與庫水響應規律(李松林等， 2017)。

千將坪滑坡和樹坪滑坡代表了兩種不同庫岸邊坡結構的滑坡，在庫水位變化情況下，表現出了不同的變形破壞模式。基于此，我們構建了兩種結構的岸坡在水位變動過程中的力學模式的概念模型，用來解釋它們在庫水位變動條件下的動態響應。同時，實施了室內簡易模型試驗，來驗證所提出的概念模型。

1 千將坪巖質滑坡的變形破壞模式

2003年6月三峽庫區從92m蓄水到135m，半個月后，在長江支流青干河(沙鎮溪鎮)發生了千將坪大型順層巖質滑坡(其地理位置如圖1所示)。滑坡從出現變形到高速滑入青干河，僅花了約1.5h。雖然事先經過“群測群防”對滑坡的發生有所防備，但由于滑坡影響范圍和運動速度超出了預警人員的想象，導致24人死亡，其中11人在岸坡上被滑坡卷走， 13人在船上被滑坡引起的高達30m的涌浪所淹沒。千將坪滑坡為發生在侏羅系中-下統聶家山組(J1-2n)中厚層粉砂質泥巖、泥質粉砂巖夾厚層長石石英砂巖互層中的順層滑坡，其全貌如圖2所示。

圖1 千將坪滑坡和樹坪滑坡位置圖

圖2 千將坪滑坡照片

作為巖質邊坡，而且是順向坡的千將坪滑坡，可以簡化為圖3所示的二維厚板。設板的厚度為d(深度為d/cosθ)，初始水位為h0(從板的上面最低點起算)，則作用在厚板表面和底面的水壓力分別為US0和UB0。

圖3 庫水位上升前(a)后(b)作用在厚層順層邊坡巖體上的水壓力

(1)

(2)

并由此可以得到底面和表面的水壓力差ΔU0。

(3)

當水位上升幅度為h時，作用在厚板表面和底面的水壓力分別為USt和UBt。

(4)

(5)

同樣可以得到底面和表面的水壓力差ΔUt。

(6)

比較水位上升前后作用在厚板底面與表面的水壓力差，可得到在底面的凈增水壓力ΔU。

(7)

由式(7)可知，作用在順層邊坡厚板上的凈增水壓力，即揚壓力隨著水位上升幅度h和層厚d的增大而增大。從式中還可以看到順層邊坡傾角的影響，在同種條件下， 45°傾角邊坡所受的揚壓力最小。

2 樹坪滑坡的變形模式

樹坪滑坡位于距三峽大壩47km的長江右岸。滑坡區地層主要為三疊系中統巴東組上段(T2b3)的紫紅色厚層泥巖、粉砂巖，中段(T2b2)的淺灰色中厚層灰巖、泥灰巖，下段(T2b1)的紫紅色、灰綠色中厚層粉砂巖夾泥巖、頁巖，滑坡區巖層總體產狀為 165°～120°∠10°～35°，走向與岸坡總體走向近于平行，屬逆向結構岸坡。地表主要為第四系崩坡積層。滑體南北縱長約 800m，東西寬約 670m，面積約 54×104m2，厚為 10～70m，總體積約為2070×104m3(全貌如圖4)。

圖4 樹坪滑坡全貌

樹坪滑坡按照活動程度在地表的反映，可以分為一區和二區。一區活動性強，區內房屋破壞嚴重，道路嚴重損壞； 二區活動性相對較弱。為了迅速掌握樹坪滑坡隨水位變化的特點，我們從2004年開始在一區內設置長期觀測系統，一邊觀測，一邊籌集資金以增設新的觀測內容，因此對觀測點的代號隨時間做了調整。如圖5所示，SP1-13為最早設置的伸縮計觀測點。SP1-13設置在右側邊界上，測得的結果不是滑坡主滑方向上的位移量，但可以定性地了解滑坡的活動情況。SP1-1雖然位于滑坡頭部邊界，當時認為在理論上該點是最理想的觀測點，但由于該處有公路通過，觀測噪音較大。圖6是在一區完成的觀測系統平面圖和剖面示意圖。觀測內容包括庫水位以上伸縮計觀測(代號為SP1-M-XX)，庫水位以下伸縮計觀測(代號為SP1-N-FX)，鉆孔內應變儀(設置在鉆孔ZK-1內)。另外在滑坡范圍內，還有由中國地質調查局設置的GPS觀測點和裂縫觀測點(代號D)。觀測從2004年開始逐步展開，由于對樹坪滑坡整治方案的實施，觀測在2010年逐步停止。長達5年以上的觀測取得了大量數據，但數據質量最好的為SP1-13(后面改為SP1-M-25)的伸縮計和鉆孔內的應變計。這里對這兩種觀測結果進行分析。

圖6 樹坪滑坡一區的觀測系統平面圖和剖面示意圖

圖7為樹坪滑坡一區SP1-13(即SP-1-M25)觀測點2004年9月至2009年10月的伸縮計觀測結果和降雨量及庫水位的對應關系曲線。5年內，降雨顯示年度周期性變化，且后面3年降雨強度較大； 庫水位在2004年135～140m之間的小幅度變化轉化到2006年以后145～172m之間的漲落； 伸縮計觀測到的位移量呈臺階狀變化。僅僅從該圖上很難看出滑坡位移的主要影響因素，因為滑坡坡角處的水位變化和滑坡整體范圍內的降雨都會對滑坡位移產生影響。

圖7 樹坪滑坡一區SP1-13(即SP-1-M25)觀測點的伸縮計觀測結果和降雨量及庫水位的對應關系

圖8是對圖7中變形量和庫水位數據進行處理后的結果。將變形量轉換成滑坡變形速率，將庫水位轉換成水位下降速率，可以看到在2006～2008年間有很明顯的對應關系：滑坡運動速率與庫水位下降速率之間呈正相關關系。換言之，樹坪滑坡的位移主要受庫水位下降速度的影響； 在水位上升過程中，樹坪滑坡基本沒有變形。從圖8中還可以看到另外一個現象，就是滑坡變形速率的曲線比庫水位下降速率的曲線要滯后約88天。這是什么原因造成的呢？分析一下鉆孔應變計的觀測結果，就會找到答案。

圖8 樹坪滑坡一區SP-1-M25觀測點變形速率與水位下降速率的對比關系

圖9a是設置在鉆孔ZK-1處的孔內應變計觀測結果。孔內應變從深度14.5m處開始，按2m間隔測到60.5m。測量結果以孔底即60.5m處為基準進行累積計算得出。從結果中可以看出，在34.5m深度處出現明顯應變集中帶，可以判斷為該處的滑帶。圖9b為根據觀測結果計算出的深度34.5m處的應變速率。其最大值發生在2009年6月，并與同一時期出現的最大庫水位下降速率的峰值完全對應，說明了庫水位下降對滑坡運動的直接影響。

圖9 樹坪滑坡一區ZK-1處孔內應變計觀測結果

SP1-13處的88天滯后是什么原因造成的呢？SP1-13位于ZK-1側后方200余米處，可能由于位移的傳遞需要時間，同時也說明了樹坪滑坡的運動是從滑坡體腳部向頭部擴展，表明了庫水位下降在樹坪滑坡復活及發展過程中的主導作用。其主要原因是滑坡滲透性較差，水位下降時滑坡內部地下水位線滯后于庫水位，滑坡穩定性下降(向玲等， 2014； Song et al.， 2018)。

對于樹坪滑坡這種具有松散結構的老滑坡體，在庫水位漲落條件下的變形模式可以通過如圖10所示的概念圖進行解釋。如果老滑坡體在水庫蓄水前安全儲備不高(圖10a)，那么在蓄水水位迅速抬升后(圖10b)，庫水可能迅速進入滑坡體內，對滑坡體產生大于滑坡表面水壓力的揚壓力，從而導致老滑坡復活或坡體變形失穩； 一段時間之后，當庫水完全滲透到滑坡體內并使滑坡體內的地下水位與庫水位齊平時(圖10c)，坡體的穩定性又會恢復到蓄水前的狀態，這時坡體變形會呈現停止狀態； 當庫水位下降時，如果下降速度較快，坡體內的地下水來不及排出，則會在坡體內以超孔隙水壓力的形式殘留，并降低滑動帶的抗剪強度，使坡體穩定性降低，進而發生坡體變形或滑動現象。

圖10 樹坪滑坡體在庫水位漲落過程中所受水壓力(b)以及坡體內地下水分布(c， d)概念圖

3 模型試驗模擬驗證

針對千將坪滑坡和樹坪滑坡在庫水位漲落條件下所表現出的不同變形破壞模式，在室內實施了兩組簡易物理模擬實驗(Shugiura， 2011)，以驗證以上提出的概念模型。

圖11是以順層邊坡為原型的模型實驗裝置。在一個長1200mm，寬600mm，高600mm的水槽內，先用8號硅砂(平均粒徑0.0656mm，不均勻系數3.17，曲率系數1.33，土粒比重2.68)堆成一個30°的邊坡(為了節省材料和工時，在遠離坡面處使用了一些磚塊)，在平整坡面之后，在坡面上順坡放置不同厚度(分別為18mm和54mm)的板材以觀察板材厚度的影響。在板材中央，放置重塊以平衡浮力。然后將重塊連接到伸縮計上以觀測其變形量。在水槽底部放置水壓計，記錄水槽內的水位變化。

圖11 模擬順層邊坡在水位上升過程中如何變形破壞的簡易試驗裝置

圖12為模擬順層邊坡在水位上升過程中邊坡運動速度與水位之間的對應關系。當使用層厚18mm的板材時(配重3kgf)，運動速度在水位上升過程中有些增大的趨向，但表現并不很明顯。當使用層厚54mm的板材(配重5kgf)后，運動速度在水位上升到0.2m以后，運動速率隨之上升。在水位達到0.25m并保持穩定時，運動速度也保持了一段時間，隨后運動速率回落到0，邊坡運動趨于停止。

圖12 不同層厚順層邊坡在水位上升過程中的變形速率

圖13為模擬松散結構邊坡在水位漲落條件下的實驗裝置。先使用8號硅砂制成40°的邊坡，然后對水槽進行注水或排水。在坡體內部放置一個直徑約30mm的塑料球用來監測坡體位移。塑料球的兩端分別用絲線連接在伸縮計和平衡砝碼上，以保證塑料球能隨著坡體一起運動。注意塑料球的運動只能沿著絲線的方向運動，并不能準確測得圓弧滑動式的二維位移量，但其結果足以用于定性分析。

圖13 模擬松散結構邊坡在水位漲落過程中如何變形破壞的簡易試驗裝置

圖14為坡角40°時的松散結構邊坡實驗結果。對應著700s和2100s附近的兩次水位下降速度低谷值，邊坡運動速率顯示了良好的峰值對應，而且沒有時間滯后現象發生。

圖14 松散結構邊坡在水位漲落過程中變形速率與水位變動速率之間的對應關系

4 結論與展望

庫水位的漲落如何影響水庫庫岸邊坡穩定性一直是水庫安全運營必須解決的重要課題，了解不同結構邊坡在庫水位漲落變化條件下的變形破環模式，對于有效防控庫區滑坡災害，在保障庫區航運安全，保障庫區人民生命安全有著重要意義。本文在對千將坪滑坡和樹坪滑坡進行現場調查和長期變形觀測的基礎上，抽象出不同結構邊坡在庫水位漲落條件下變形破壞模式，并通過室內簡易物理模擬進行了驗證，得到了以下結論。

(1)順層結構邊坡在庫水位上升時，由于巖層底面所受揚壓力增大，穩定系數降低。失穩后，滑坡體運動速率與水位上升高度成正相關關系。

(2)松散結構邊坡在水位漲落過程中呈現不同的變形破壞特征。初期水位上升將導致邊坡穩定性降低，對應活躍的坡體變形； 之后隨著庫水位完全滲入坡體，邊坡穩定性得到恢復，變形進入休眠期； 在庫水位下降時，由于坡體物質滲流的滯后，坡體變形可能再度發生，且運動速率與庫水位下降速率成正相關關系。

以上結論是針對兩個滑坡案例進行研究后得到的結果。水庫庫岸邊坡結構復雜，還可能存在其他結構類型，對此有必要開展有針對性的研究。另外，以上結果還停留在定性結論水平，為了更有效地進行庫區滑坡災害防治和管控，有必要將以上定性結論向定量化方向發展。

致 謝島根大學地球科學系畢業生杉浦貴美惠協助完成了室內模型試驗； 在千將坪滑坡和樹坪滑坡現場調查和長期監測工作中，三峽大學張業明教授、黃波林研究員和中國地質調查局武漢地質調查中心霍志濤研究員等給予了大力幫助。在此表示感謝。